Forskare från Stanford och University of Calgary har transformerat pulser av elektrisk ström som skickas 1, 000 fot under jorden in i en bild av var havsvatten har infiltrerat sötvattenakviferer längs Monterey Bay-kusten.

Resultaten, som kommer att publiceras i ett kommande nummer av Journal of Hydrology men är tillgängliga online nu, hjälpa till att förklara faktorer som styr detta fenomen, kallas saltvattenintrång, och skulle kunna hjälpa till att förbättra grundvattenmodellerna som lokala vattenförvaltare använder för att fatta beslut om att pumpa grundvatten för att tillgodose dricks- eller jordbruksbehov.

"Förhoppningen är att lokala vattenförvaltare kan använda dessa resultat för att bättre identifiera regioner som är mest påverkade av saltvattenintrång där riktade förvaltningsmetoder kan implementeras mest effektivt, " sa studiens medförfattare Meredith Goebel, en doktorand vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap.

Goebels examensrådgivare, Rosemary Knight, specialiserar sig på att anpassa geofysiska bildverktyg för att övervaka och hantera sötvattenresurser. "På samma sätt som medicinsk bildbehandling har revolutionerat sättet att hantera människors hälsa, Jag tror att jordavbildning med geofysiska metoder kan revolutionera strategin för att hantera hälsan hos våra grundvattensystem, sade riddaren, som är George L. Harrington professor vid Stanford.

Enligt FN, mer än hälften av världens befolkning bor inom 37 miles (60 kilometer) från kusten, och tre fjärdedelar av alla storstäder ligger i kustområden. Många kustsamhällen är beroende av grundvatten för att tillfredsställa sina dricks- och jordbruksvattenbehov. Men att ta bort för mycket av det grundvattnet kan ändra vätsketrycket i underjordiska akviferer, att dra in havsvatten till kustnära akviferer och korrumpera vattenförsörjningen. Saltvattenintrång är ofta oåterkalleligt.

ERT

För att fastställa omfattningen av saltvattenintrång i Monterey Bay-regionen, forskargruppen använde en geofysisk avbildningsteknik som kallas elektrisk resistivitetstomografi (ERT) för att kartlägga salthalten i grundvattnet längs en 28 mil (45 kilometer) kuststräcka från Aptos till Monterey. ERT mäter en egenskap som kallas elektrisk resistivitet. Havsvatten är elektriskt ledande på grund av sitt höga saltinnehåll, medan sötvatten är elektriskt resistivt.

ERT skulle kunna erbjuda ett billigare och bättre alternativ än den nuvarande metoden som används för att övervaka saltvattenintrång, vilket innebär att borra "vaktpost"-brunnar på specifika platser. "Till skillnad från brunnar, som bara ger dig information på en plats, ERT ger dig en fullständig tvådimensionell skiva med rumslig täckning som helt enkelt inte är möjlig med brunnar, " sa Knight.

Sentinelbrunnar är också dyra:Fyra av brunnarna som används för att övervaka saltvattenintrång längs Monterey Bay kostar nästan 1 miljon dollar att borra. I kontrast, Stanford-teamets undersökning kostade cirka 200 USD, 000.

ERT-undersökningar kan också upprepas på samma plats för att observera förändringar över tid, sade studiens medförfattare Adam Pidlisecky, som är forskningschef på Aranz Geo. "Att titta på skillnader genom tid kan ofta vara mer användbart än att försöka förstå en enskild bild, sade Pidlisecky, som utförde forskningen vid University of Calgary i Kanada.

Telefontips

För riddare, studien, som är den längsta och djupaste i sitt slag, representerar kulmen på ett ambitiöst experiment som började med ett telefontips för sex år sedan. "En hydrolog som arbetar i Monterey-området berättade för mig att det fanns ett stort intresse för vad som händer med saltvattenintrång längs kusten och föreslog att det kunde vara ett intressant projekt för min grupp, sade riddaren, som också är knuten till Stanford Woods Institute for the Environment.

När Knight kontaktade lokala stadstjänstemän för att få tillstånd att starta sin undersökning, några av dem trodde inte riktigt sina öron. "Ens svar till mig var, "Jag har precis spenderat hundratusentals dollar på att borra en brunn, och du säger till mig att du kan göra det här genom att gå längs stranden?” sa hon.

Att säkra de nödvändiga tillstånden från städer och privata markägare tog nästan ett år, men hösten 2014, teamet var redo att påbörja sin undersökning. Under cirka två veckor, forskare från Stanford University och University of Calgary arbetade tillsammans med ingenjörer från ingenjörsföretaget WorleyParsons för att lägga ut en lång rad elkablar längs stranden. Kablarna var avbrutna av 4-fots stålelektroder nedsänkta i sanden.

Efter att en serie elektroder var på plats, teamet pumpade små pulser av elektricitet genom anslutningsledningen. Strömmen spred sig under marken, och genom att mäta spänningen mellan par av elektroder kunde teamet skapa en resistivitetskarta över underytan. Mindre motstånd innebar att mer saltvatten låg under. När teamet väl undersökte en del av kustlinjen drog de ut insatserna och upprepade processen någon annanstans.

Undersökningen innebar att tillbringa långa timmar i solen med att transportera tung utrustning och mödosamt täcka nästan hela Monterey Bay-kusten en mil i taget, men ansträngningen gav resultat. "Detta är den första regionala vy av underytan som tydligt visar geologins inverkan på vätskefördelningen såväl som påverkan av kustnära pumpning, ", sa Pidlisecky. "Under hela processen har vi aktivt haft kontakt med grundvattenförvaltare och tekniska proffs i regionen, såväl som allmänheten i stort. Vi är glada över att ta detta engagemang vidare med publicering och delning av dessa resultat genom en interaktiv 3D-webbportal."

Data som teamet samlade in gav en färgstark, tvådimensionell resistivitetskarta över kustlinjen som avslöjar komplexa mönster av saltvattenintrång i regionen ner till ett djup av 1, 000 fot och belyser samspelet mellan geologin och mänskliga aktiviteter som styr regionens distribution av söt- och saltvatten. Till exempel, teamet upptäckte en dynamisk kropp, eller "lins, " av sötvatten nära Marina som bildades genom infiltration från överliggande dagvattenavrinningsdammar i ett område som annars genomgick saltvattenintrång. Kartan visade också att ansträngningarna från Pajaro Water Management District för att minska grundvattenpumpningen genom att tillhandahålla återvunnet vatten till bevattningsmaskiner fungerade som planerat .

Keith Van Der Maaten, chef för Marina Coast Water District, sade att de nya rönen kan hjälpa till att fylla i många luckor i deras data om grundvattenresurser. "Den nuvarande kartläggningen av sötvatten-saltvattengränssnittet i vår region har många problem och är missvisande, "Sa Van Der Maaten. "ERT-data kommer att hjälpa oss att ge oss en mer komplett bild så att vi kan gå vidare med vår vattenförsörjningsplanering och ansträngningar för hållbar grundvatten."

Uppföljande luftburen studie

Eftersom elektrisk resistivitet är en egenskap som finns i alla material, ERT skulle kunna ha tillämpningar utöver vattenhantering. "Varje gång det du försöker avbilda i underytan har en annan resistivitet än materialet som omger det, du bör kunna använda den här metoden, sa Goebel.

Knight är inte klar med Monterey Bay-regionen ännu, dock. Hennes team har samarbetat med Marine Coast Water District för att genomföra en uppföljande luftburen helikopterundersökning som använder en annan geofysisk teknik för att kartlägga elektrisk resistivitet under ytan i regionens inre områden.

"Istället för bara en skiva, den luftburna undersökningen kommer att ge oss hundratals skivor och tillåta oss att sätta ihop en tredimensionell bild av den underjordiska sötvattenfördelningen, sa Goebel.